CN103573387B - 一种废气涡轮增压器及用于内燃机的涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的涡轮（1），其具有：‑包括有进气口和排气口的涡轮壳（2），‑由涡轮壳（2）围合的壳体内部空间，其可以承受来自内燃机的废气流的冲击，‑设置在涡轮壳（2）中的涡轮转子，该转子可旋转地安装在限定了轴向（A）的转轴（D）上，其将壳体内部空间分成流体连接至进气口的高压区和流体连接至排气口的低压力区（8、8′′），‑附着在涡轮壳（2）中的测量空间（9），用于确定涡轮壳（2）中的废气的至少部分气体成分的废气传感器（10）至少部分布置在该测量空间（9）中，‑在涡轮壳（2）中，用于将废气供给测量空间（9）的具有进气口（12）的进气管道（11）和用于将废气从测量空间（9）排出的具有排气口（14）的排气管道（13）分别整体形成在涡轮壳（2）中。

Description

一种废气涡轮增压器及用于内燃机的涡轮
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的涡轮以及具有这种涡轮的废气涡轮增压器。
背景技术
在机动车中，内燃机产生的废气通常由废气涡轮增压器进行再处理，其中，用于此目的的废气涡轮增压器可以连接到内燃机的排气管路。此外，废气的空气燃料比由内燃机控制，其中废气由合适的废气传感器进行检测。所述废气传感器连接在内燃机的排气管。可以按照已知的方式控制空气燃料比，以使废气传感器检测到的空气燃料比与预定的值一致。
影响废气传感器的最佳功能的决定性因素是废气传感器要连接在排气管中合适的位置，以避免有缺陷的传感器值。例如，由于废气中含有的水蒸汽冷凝成位于传感器上的冷凝水而产生有缺陷的传感器值。在使用内燃机的机动车中，既有废气涡轮增压器又有用于清洁内燃机产生的废气的催化转化器单元。此类型的废气传感器通常设置在废气涡轮增压器和催化转化器单元之间。由于废气涡轮增压器的相对较大的热容量，在内燃机启动后，需要一个较长的时间直到包含有废气涡轮增压器的排气管和内燃机中的催化转化器单元具有足够高的温度，以确保废气中含有的水蒸汽不会冷凝成冷凝水，也不会导致不期望的测量误差，例如由于具有冷凝水蒸汽的废气传感器的测量陶瓷的不期望的湿度引起的测量误差。
通常的废气传感器的另外一个缺点是其直接在进气口处连接到废气涡轮增压器的涡轮上来避免上述问题，此时传感器可能会由于热过载(热冲击)而破坏。
DE102007021763A1公开了一种布置在排气通道中的涡轮增压器的涡轮。所述涡轮包括一个废气传感器。所述废气传感器布置在下游处，并且位于涡轮增压器的涡轮附近。该文献公开的废气传感器的结构部件布置在轮增压器的涡轮的出口通道的输出轴上或输出轴附近。
DE102009046391A1公开了一种暴露于内燃机的排气管中的废气的废气传感器的操作方法。根据此方法，废气由毛细管导引至废气传感器。为了获得一种既能确保废气传感器的高动态测量又不需要任何附加结构部件的稳定方法，通过至少一个毛细管流至废气传感器的废气从产生废气滞止压力的滞止压力源的上游分流。
发明内容
本发明的一个目的是说明一种用于内燃机的涡轮的改进实施例，其中上述的缺点可以消除或至少可以减少。
本发明的涡轮包括一个具有进气口和排气口的涡轮壳，其中壳体内部空间由涡轮壳封闭，并且可以经受来自内燃机的废气流。所述涡轮还包括一个可旋转地安装在转轴上的涡轮转子，该转轴在涡轮壳内限定出一个轴向。涡轮转子将壳体内部分成流体连接至进气口的高压力区和流体连接至排气口的低压力区。
涡轮还包括一个附着在涡轮壳中的测量空间，用于确定涡轮排出的废气的至少部分气体成分的废气传感器至少部分布置在该测量空间中。根据本发明，用于将废气供给测量空间的具有进气口的进气管道和用于将废气从测量空间排出的具有排气口的排气管道分别整体形成在涡轮壳中。
在本发明的涡轮中，测量空间是这样单独形成的，本发明的废气传感器依次布置在该测量空间中。测量空间优选设置在涡轮壳中，并以下面的方式设置。内燃机排出的废气在进入测量空间前必须流经相对小的热当量或热容量。通过这种方法，在与涡轮上游连接的内燃机启动后，测量空间(借助于流经的废气)可以相对快地加热到足够高的温度，在此温度下，可以较大程度地避免废气中含有的水蒸汽冷凝。由于分别设置了一体成型在涡轮壳上的进气管道和排气管道，不再需要设置废气流通的较长路径。因此，进气管道和排气管道作为涡轮壳的一部分也可以被快速地加热。此外，进气管道和排气管道在涡轮壳中的一体成型设计能以种相对简单且成本有效的方式完成。
本发明的涡轮使废气传感器高效安全的使用成为可能，这样可以较大地排除测量误差。
优选地，测量空间可以设计成设置在涡轮壳外表面上的接收口，废气传感器可以插入或拧紧在该接收口中。因此，插入或拧紧在接收口中的废气传感器可以流体连接到进气管道和排气管道。按照这种方法，废气传感器能够以一种简单的方式安装在涡轮壳或测量空间上，并且在需要时(例如维护或修理)可以简单地从涡轮壳或测量空间中拆除。
在一个优选的实施例中，涡轮壳中包围高压区域的部分可以部分地设置成蜗壳，进气管道的进气口和排气管道的排气口设置在蜗壳中。通过进气管道和排气管道设置在涡轮壳的高压区域的这种设置方式，可以确保内燃机排出的废气在进入设置有废气传感器的测量空间前只需流经少量的排气管道(位于内燃机和废气涡轮增压器之间)，因此可以在很大程度上避免甚至是完全避免不期望的废气冷却和废气中含有的水蒸气的冷凝。
在一个更优选的实施例中，涡轮壳中包围高压区域的部分可以部分地设置成蜗壳，沿进气通道的纵向上游并入进气通道，在远离蜗壳的一端包括有涡轮壳的进气口。进气通道的流通断面至少在沿纵向至进气口的部分变大，进气口和排气口在进气通道中沿进气通道的纵向方向彼此相对偏移地设置，其中，进气口设置在进气通道的第一部分，进气通道的第一部分比第二部分有较大的横截面，排气口设置在第二部分。由于进气通道的横截面由进气口至蜗壳逐渐变小，因此沿进气通道的纵向也形成了废气的压力梯度。根据伯努利方程和连续性方程的结合，大截面的进气通道区域的压力大于较小截面的进气通道区域。由于进气通道的进气口设置在大横截面区域，排气口设置在小截面区域，压力梯度可用作废气进入或离开包含有废气传感器的测量空间的驱动力。
在一个选择性的实施例中，进气口可以设置在横截面上距离中心点第一半径位置，中心点在涡轮转子转动的轴线上，排气口可以设置距离中心点第二半径位置，其中第一半径大于第二半径。通过这种方式，蜗壳径向上形成的压力梯度可用来通过进气口提供足够多的废气给测量空间，并通过排气管道将废气从测量空间排出。由于废气的气压随着距离中心点的半径距离的增加而增加，因此在设置有进气口的第一半径区域的废气压力大于设置有排气管道的第二半径区域的压力。由此，废气压力梯度也可以用作废气流经测量空间的驱动力。在一个更优选的实施例中，进气口可相对于排气口偏移轴线方向设置。
在另外一个可选择的实施例中，进气口设置在涡轮的高压区而排气口设置在涡轮的低压区，以便进气管道将测量空间流体连接到高压区，而排气管道将测量空间流体连接到低压区。在此实施例中，形成在高压区和低压区的废气压降可用于将废气供入测量空间或从测量空间排出。
优选地，涡轮壳中的进气管道和排气管道可形成为通孔。这使得本发明的进气管道和排气管道的加工变得简单。
为了进一步降低本发明的涡轮制造成本，在一个非常节约成本的实施例中，涡轮壳可以是整体的铸造件。为了能够灵活地调整供入测量空间的废气量，可以在进气管道或排气管道中设置调节器来分别调整进气管道或排气管道的开口截面。
本发明的进一步的重要特征和优点将从附加的权利要求、附图和附图说明中获得。
可以理解，在不脱离本发明的范围的情形下，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以按照描述的特征组合使用，还可以用于其他组合或单独使用。
附图说明
本发明的优选实施例示出在附图中，并在以下的说明中详细解释。
图1示出了本发明的涡轮的第一优选实施例，
图2示出了附图1中的涡轮的部分透视图，
图3示出了本发明的涡轮的第二优选实施例，
图4示出了本发明的涡轮的第三优选实施例，
图5示出了本发明的涡轮的第四优选实施例。
具体实施方式
附图1和2粗略地示出了本发明的用于内燃机的涡轮，并用附图标记1表示。附图1示出了涡轮的纵向剖面图，涡轮不具有本发明的废气传感器。附图2示出了附图1的涡轮1的部分立体图，该涡轮具有本发明的废气传感器。涡轮1包括一个具有进气口3和排气口4的涡轮壳2。其中壳体内部空间5由涡 轮壳2封闭，并且可以经受来自内燃机的废气流。涡轮转子6设置在涡轮壳2中，并且可旋转地安装在限定了轴向A的转轴D上。涡轮转子6将壳体内部空间5分成流体连接至进气口3的高压力区7和流体连接至排气口的低压力区8。本发明的涡轮1还包括一个附着在涡轮壳2中的测量空间9(参见附图2)，用于确定涡轮壳2中的废气的至少部分气体成分的废气传感器10至少部分布置在该测量空间中。优选地，废气传感器10是拉姆达探头。
在涡轮壳2中，用于将废气供给测量空间9的具有进气口12的进气管道11和用于将废气从测量空间9排出的具有排气口14的排气管道13分别整体形成在涡轮壳中。从附图2中可以明显看出进气管道11、排气管道13和测量空间9一支路形式设置在废气主要路径的外侧。附图2进一步示出了涡轮壳外表面上设置接收口15，废气传感器10可以插入或拧紧在该接收口15中。因此，插入接收口15中的废气传感器10可以流体连接到进气管道11和排气管道13。对于拧紧在接收口15中的废气传感器10，需要在所述的接收口15和废气传感器10中分别设置内螺纹或外螺纹。
再次参照附图1，很明显，涡轮壳2中包围高压区域7的部分可以部分地设置成蜗壳16，进气管道11的进气口12和排气管道13的排气口14设置在蜗壳6中。
附图3示出了本发明的涡轮1′的变形的立体图，进气口12′可以设置在横截面(图3未示出)上距离中心点M′第一半径R1位置，中心点M′在涡轮转子6(图3未示出)转动的轴线D′上，排气口14′可以设置距离中心点M′第二半径R2位置，其中第一半径R1大于第二半径R2。由于进气口12′和排气口14′之间的压力降，形成了将废气导入测量空间9′或将废气从测量空间9′排出的驱动力。在离心力作用下进入蜗壳16′的废气的偏移引起的径向压降非常活跃，其中，蜗壳16′中的废气压力朝向外部径向增加。通过上述进气口12′或排气口14′的设置，废气的径向压力梯度可用于测量空间9′和布置在测量空间9′中的传感器10′的流通。
附图4示出了一个变形的实施例，也示出了涡轮1″的立体图。涡轮壳2″中包围高压区域7″的部分可以部分地设置成蜗壳16″，其上游部分沿进气通道的纵向方向ZL并入进气通道17″，在远离蜗壳16″的一端包括有涡轮壳2″ 的进气口3″。附图4明显地示出了进气通道17″的流通断面至少在沿纵向ZL朝向进气口3″的部分变大。根据此变形，进气口12″和排气口14″在进气通道17″中沿进气通道17″的纵向方向ZL彼此相对偏移地设置。该实施例中的进气口12″设置在进气通道17″的第一部分，排气口14″设置在第二部分，进气通道17″的第一部分比第二部分有较大的横截面。通过这种方法，进气口12″和排气口14″之间的压力降可用来确保具有废气传感器10″的测量空间9″中的废气流通。在废气的流动方向上形成的压力梯度是由于进气通道17″沿纵向ZL逐渐变细的横截面几何形状。由于逐渐变细的流通横截面，废气的滞止压力在流通横截面减小的区域降低，而在流通横截面变大的区域增加(参见伯努利法则和连续性方程)。进气口12″和排气口14″可相对于彼此布置在进气通道17″中，由此使得冷凝成水的水蒸汽和以液体薄膜形式在进气通道17″中传递的水可以在重力作用下移动到与两个口12″和14″相对的壁18″上，因此液体薄膜不会通过口12″和14″以一种不期待的方式到达废气传感器10″。
附图5示出了本发明的涡轮1″′的一个变形的实施例。进气口12″′布置在高压区7″′，排气口14″′布置在低压区8″′，由此进气管道11″′将废气传感器10″′流体连接到测量空间9″′的高压区7″′，排气管道13″′将废气传感器10″′流体连接到测量空间9″′的低压区8″′。为了利用涡轮壳2″′中的高压区7″′和低压区8″′之间的压力梯度，在蜗壳16″′和涡轮1″′的外部流动区域之间设置一个支路。进气管道11″′布置在涡轮壳的蜗壳16″′区域。
在上述所有实施例中，涡轮壳2、2′、2″、2″′中的进气管道和排气管道优选是一个通孔。同时，在所有的实施例中，涡轮壳2、2′、2″、2″′是一体成型的铸造件。在一个附图1-5未示出的变形中，一个用于调整进气管道或排气管道的开口横截面的调节器可以设置在进气管道或排气管道中。
在上述所有变形实施例中，进气口12、12′、12″、12″′和排气口14、14′、14″、14″′设置在涡轮壳2、2′、2″、2″′中，在这些进气口和排气口区域，水蒸汽冷凝成水并在离心力的作用下远离进气口和排气口。因此，水不会以一种不期望的方式到达废气传感器10、10′、10″、10″′。
本发明的涡轮1、1′、1″、1″′可用于机动车的废气涡轮增压器。除了涡轮1、1′、1″、1″′外，还可以设置一个压缩机，其中，涡轮1、1′、1″、1″′和压 缩机相互连接。这里，压缩机可以包括一个压缩机转子，该压缩机转子机械连接到涡轮1、1′、1″、1″′的涡轮转子6。很清楚，本发明的涡轮1、1′、1″、1″′还可以有很多其他申请可能性，例如与发电机相关的申请。
传感器10、10′、10″、10″′可用来限定废气涡轮增压器1、1′、1″、1″′的温度。借助于设置在传感器10、10′、10″、10″′中的加热装置的与温度有关的内电阻，冲击传感器10、10′、10″、10″′的废气的温度可以推导出。

Claims (11)

1.一种用于内燃机的涡轮(1、1′、1″、1″′)，具有
-包括有进气口(3)和排气口(4)的涡轮壳(2、2′、2″、2″′)，
-由涡轮壳(2、2′、2″、2″′)围合的壳体内部空间(5)，其承受来自内燃机的废气流的冲击，
-设置在涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中的涡轮转子(6)，并且可旋转地安装在限定了轴向(A)的转轴(D)上，其将壳体内部空间(5)分成流体连接至进气口(3、3″)的高压区(7、7″)和流体连接至排气口(4、4″)的低压力区(8、8″)，
-附着在涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中的测量空间(9、9′、9″、9″′)，用于确定涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中的废气的至少部分气体成分的废气传感器(10、10′、10″、10″′)至少部分布置在该测量空间中，
-在涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中，用于将废气供给测量空间(9、9′、9″、9″′)的具有进气口(12、12′、12″、12″′)的进气管道(11、11″′)和用于将废气从测量空间(9、9′、9″、9″′)排出的具有排气口(14、14′、14″、14″′)的排气管道(13、13′、13″、13″′)分别整体形成在涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中；
涡轮壳(2)中包围高压区域(7)的部分部分地设置成蜗壳(16、16′)，进气管道(11)的进气口(12、12′)和排气管道(13、13′)的排气口(14、14′)设置在该蜗壳(16、16′)中。
2.权利要求1所述的涡轮(1、1′、1″、1″′)，其特征在于：测量空间(9、9′、9″、9″′)形成为设置在涡轮壳(2、2′、2″、2″′)外表面上的接收口(15、15′、15″、15″′)，废气传感器(10、10′、10″、10″′)插入或拧紧在该接收口(15、15′、15″、15″′)中，因此，插入或拧入接收口(15、15′、15″、15″′)中的废气传感器(10、10′、10″、10″′)流体连接到进气管道(11、11″′)和排气管道(13、13″′)。
3.权利要求1或2所述的涡轮(1、1′)，其特征在于，
-进气口(12′)设置在横截面上距离中心点(M′)第一半径(R1)位置处，排气口(14′)设置距离中心点(M′)第二半径(R2)位置，
-第一半径(R1)大于第二半径(R2)。
4.权利要求1或2所述的涡轮(1″)，其特征在于，
-涡轮壳(2″)中包围高压区(7″)的区域部分地设置成蜗壳(16″)，其上游部分沿进气通道(17″)的纵向方向(ZL)并入进气通道(17″)，在远离蜗壳(16″)的一端包括有涡轮壳(2″)的进气口(3″)，
-进气通道(17″)的流通断面至少在沿纵向方向(ZL)朝向进气口(3″)的部分尺寸增加，
-进气口(12″)和排气口(14″)在进气通道(17″)中沿进气通道(17″)的纵向方向(ZL)彼此相对偏移地设置，进气口(12″)设置在进气通道(17″)的第一部分，排气口(14″)设置在第二部分，进气通道(17″)的第一部分比第二部分有较大的横截面。
5.权利要求1或2所述的涡轮(1″′)，其特征在于，进气口(12″′)布置在高压区(7″′)，排气口(14″′)布置在低压区(8″′)，由此进气管道(11″′)将测量空间(9″′)流体连接到的高压区(7″′)，排气管道(13″′)将测量空间(9″′)流体连接到低压区(8″′)。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮(1、1′、1″、1″′)，其特征在于，进气管道(11、11′)和排气管道(13、13′)形成为涡轮壳(2、2′、2″、2″′)中的通孔。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮(1、1′、1″、1″′)，其特征在于，涡轮壳(2、2′、2″、2″′)是一体成型铸造件。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮(1、1′、1″、1″′)，其特征在于，一个用于调节进气管道(11、11′)或排气管道(13、13′)的开口横截面的调节器设置在进气管道(11、11′)或排气管道(13、13′)中。
9.根据权利要求1或2所述的涡轮(1、1′、1″、1″′)，其特征在于，废气传感器(10、10′、10″、10″′)是拉姆达探头。
10.一种废气涡轮增压器，具有
-相互机械连接的一个压缩机和一个涡轮(1、1′、1″、1″′)，
-具有权利要求1至9任一项限定的涡轮(1、1′、1″、1″′)的特征。
11.权利要求10所述的废气涡轮增压器，其特征在于，压缩机包括一个压缩机转子，该压缩机转子机械连接到涡轮(1、1′、1″、1″′)的转子(6)上。
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